Virtuelles Institut "Strom zu Gas und Wärme". Band VI - Power2C4

Butadien ist ein wichtiges Monomer zur Herstellung verschiedenster Polymere, welche unter anderem Anwendung in der Automobilindustrie finden. Bisher wird Butadien hauptsächlich bei der Weiterverarbeitung von fossilen Rohstoffen gewonnen und stellt daher eine Quelle für CO2-Emissionen dar. Im Rahmen dieses Projekts wird eine emissionsärmere und nachhaltigere Syntheseroute von Butadien aus Ethanol untersucht. Weiterhin wird ein Gesamtkonzept zur Etablierung eines Power-to-Butadien-Konzepts vorgestellt.
In einem ersten Schritt wird ein neues Katalysatorsystem auf Basis eines synthetischen Saponiten für die Umsetzung von Ethanol zu Butadien identifiziert und anschließend synthetisiert. Die erhaltenen Materialien werden umfassend mittels verschiedenster Charakterisierungsmethoden auf ihre spezifischen Eigenschaften wie die Kristallstruktur, die elementare Zusammensetzung sowie die Oberflächengröße, -azidität, -basiszität und -morphologie untersucht.
Die Testung der katalytischen Aktivität erfolgt in einer eigens konstruierten Versuchsanlage. Aufbauend auf einem ersten Screening der Katalysatoren werden die für die ETB-Reaktion potenziell aussichtsreichen Materialien weiter optimiert und mögliche Struktur-Aktivitätsbeziehungen identi-fiziert. Fokussiert wird hierbei der Einfluss der Zusammensetzung und Oberflächeneigenschaften des Katalysators. Der Einfluss einer Variation der Reaktionsparameter (WHSV, GHSV, Partikelgröße) auf die Produktverteilung wird mit dem bis dato aussichtsreichsten Katalysatorsystem untersucht. Verglichen mit dem unmodifizierten Katalysatorausgangsmaterial lässt sich die Butadien-Selektivität im Rahmen der Katalysatoroptimierung deutlich erhöhen. Die Ergebnisse zeigen aber noch weiteres Potenzial zur Verbesserung der Katalysatorperformance.
Aufbauend auf den gemessenen Daten wird die Produktaufbereitung simulativ bilanziert und die erhaltenen Produkt- und Energiedaten in einer Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analysis, LCA) zur Nachhaltigkeitsbewertung des Powert-to-Butadien-Prozesses genutzt. Im Rahmen der LCA-Bewertung werden elf verschiedene Szenarien für die Synthese von Butadien aus Ethanol betrachtet. Hierbei steht neben unterschiedlichen Katalysatoren die Herstellungsmethode von Ethanol und die eingesetzte Energiequelle im Fokus. Die Ergebnisse der Prozessbewertung zeigen, dass der Lebedev-Prozess je nach verwendeter Ethanol- und Energiequelle, das Potenzial hat Butadien und damit auch Styrol-Butadien-Kautschuk aus biobasiertem Ethanol oder CO2-basiertem Ethanol herzustellen. Einen wichtigen Faktor stellt dabei ebenfalls der eingesetzte Katalysator für die Butadiensynthese dar, welcher eine hohe Butadien-Selektivität erfordert, um den Auftrennungsaufwand zu reduzieren. Die Nutzung von Restbiomasseströmen, wie Bagasse oder Stroh, eröffnet die Möglichkeit Treibhaus-gasemissionen zu reduzieren. Zudem trägt ein Strommix mit höheren Anteilen an erneuerbaren Energien wie erwartet zur Treibhausgasreduktion bei.